固廢膠凝材料協(xié)同尾砂制備膠結(jié)充填材料的研究進(jìn)展

摘要：隨著我國冶金行業(yè)的快速發(fā)展，礦山產(chǎn)出的尾礦規(guī)模也越來越大，尾礦的存儲不僅占用耕地，破壞環(huán)境，而且處理不當(dāng)會誘發(fā)災(zāi)害。此外礦山開采后，為杜絕出現(xiàn)塌方等安全事故，我國要求礦井必須回填，以減少礦井對周圍環(huán)境的影響。礦山回填是指將充填材料回填到地下采空區(qū)，能夠控制采空區(qū)塌陷和地表沉降，同時(shí)還可以將尾砂和低品質(zhì)冶金渣等固體廢棄物回填于地下采場，由此減少固體廢棄物在地表的堆積，從而避免環(huán)境污染和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。本文綜述了工業(yè)固體廢棄物中的鋼渣、礦渣、工業(yè)副產(chǎn)石膏的定義和種類，以及超細(xì)尾砂的定義和應(yīng)用，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者的研究，得出固體廢棄物膠凝材料協(xié)同尾砂制備膠結(jié)充填材料在經(jīng)濟(jì)與環(huán)保上的優(yōu)勢與可行性，并對開發(fā)多元固體廢棄物膠凝體系進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：無機(jī)非金屬材料；工業(yè)固體廢棄物；尾砂

中圖分類號：TU528"""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""""""""""" 文章編號：

Research Progress on the Preparation of Cementitious Filling Materials Using Solid Waste Cementitious Materials in Collaboration with Tailings

DING Rui 1， CHEN Yuqi 1*，LIU Qingshun2，ZHANG Shiting1

（1：School of Materials Science and Engineering， Jilin University of Architecture， Changchun Jilin 130118， China；2：Jilin Research and Design Institute of Building Science，Changchun Jilin 130011， China）

Abstract： With the rapid development of China's metallurgical industry， the scale of tailings produced by mines is also increasing，the storage of tailings not only occupies farmland and damages the environment，but improper handling can also trigger disasters.In addition，after mining， in order to prevent safety accidents such as landslides，China requires mines to be backfilled to reduce the impact of mines on the surrounding environment.Mine backfilling refers to the backfilling of filling materials into the underground goaf，which can control the collapse and surface settlement of the goaf，at the same time，it can also backfill solid waste such as tailings and low-quality metallurgical slag into the underground goaf，thereby reducing the accumulation of solid waste on the surface and avoiding environmental pollution and geological disasters.This article summarizes the definitions and types of steel slag， slag， and industrial by-product gypsum in industrial solid waste， as well as the definition and application of ultrafine tailings，based on the research of domestic and foreign scholars， the advantages and feasibility of using solid waste cementitious materials in conjunction with tailings to prepare cementitious filling materials in terms of economy and environmental protection are obtained， and the prospects for developing a diversified solid waste cementitious system are discussed.

Keywords：inorganic non-metallic materials; industrial solid waste; tailings

0 引言

礦山開采后形成的空洞或礦坑會導(dǎo)致地面塌陷、山體滑坡等安全隱患。礦產(chǎn)資源在開采和利用過程中會產(chǎn)生大量固體廢棄物（冶金渣、尾砂等），大宗尾砂和冶金渣如處理不當(dāng)，不僅占用土地、污染環(huán)境，還會導(dǎo)致一系列安全問題。針對上述問題，目前普遍采用的主流方法是充填采礦法，充填采礦法可降低工作面高應(yīng)力，減少采空區(qū)沉陷，加固地質(zhì)結(jié)構(gòu)，改善巖層控制狀況和減少廢石在地表的堆積，該方法因其高資源利用率和卓越的安全性而被越來越多的礦山所采用。在考慮了不同礦業(yè)不同材料的實(shí)地應(yīng)用情況，以及當(dāng)?shù)氐某涮畛杀竞铜h(huán)保要求，充填采礦法作為目前最為主要的充填采礦技術(shù)，充填材料的制備及性能是實(shí)施這一技術(shù)的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)礦山回填關(guān)于節(jié)能減排和尾礦等固體廢棄物資源綜合利用的有效途徑。

目前，充填采礦法所面臨的主要問題在于選礦工藝的不斷完善與進(jìn)步，導(dǎo)致尾砂的粒徑細(xì)度及顆粒含量難以滿足礦山回填強(qiáng)度要求，現(xiàn)階段充填采礦法普遍使用的是膠凝材料-水泥，受制于經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的雙重因素，使其很難得到廣泛的推廣和應(yīng)用。針對這一現(xiàn)狀，學(xué)術(shù)界與礦產(chǎn)行業(yè)致力于開發(fā)工業(yè)固體廢棄物膠凝材料協(xié)同尾砂制備低成本高性能膠結(jié)充填材料，降低充填采礦成本，滿足大部分礦山的回填需求。

1 尾砂

1.1 尾砂化學(xué)組成

尾砂是礦石經(jīng)過破碎、粉磨、選礦等其他工序提取出相關(guān)產(chǎn)品之后排放的固體廢棄物，因其形態(tài)類似于河砂，因此稱之為“尾礦砂”。馮圣杰等[1]對尾砂進(jìn)行化學(xué)成分分析，由表1可知，尾砂的主要化學(xué)成分為CaO，SiO2，F(xiàn)e2O3和MgO。并通過對尾砂的粒徑分析得到特征粒徑值、不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)。通過數(shù)據(jù)分析，得出尾砂屬于土力學(xué)規(guī)范內(nèi)的良好級配骨料，滿足作為充填骨料的要求。

1.2 當(dāng)前尾砂膠結(jié)充填存在的問題

1.2.1 尾砂細(xì)化

隨著選礦技術(shù)裝備的改進(jìn)和選礦工藝的提高，尾砂中粒徑細(xì)度與顆粒含量逐漸趨于細(xì)化，超細(xì)尾砂黏性大，脫水困難等問題，增加了料漿運(yùn)輸難度，大幅降低了膠結(jié)充填材料的強(qiáng)度性能[2]，在礦山回填的實(shí)際應(yīng)用中造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響。

1.2.2 材料充填成本較高

傳統(tǒng)尾砂膠結(jié)充填大多以水泥作為充填膠凝材料[3]。硅酸鹽水泥作為膠凝材料被用于礦山回填中，作為水泥基回填技術(shù)的常用材料，雖然其具有穩(wěn)定性高、固化速度快、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，然而隨著環(huán)保要求的提高和水泥價(jià)格的不斷上漲，水泥作為主要膠凝材料用于礦山回填已然處于劣勢。

1.2.3 充填效果問題

充填效果主要體現(xiàn)在充填體強(qiáng)度和充填料漿流動性兩個(gè)方面。隨著尾砂細(xì)度的減小，導(dǎo)致尾砂漿的濃密脫水比較困難，并且料漿濃度很難提升；水泥作為主要膠凝材料，用于含泥量較高的超細(xì)尾砂時(shí)，其不僅固結(jié)效果差、強(qiáng)度低，并且料漿流動性較差；此外，由于溫度和濕度的變化，充填料漿在固化干縮過程中，容易發(fā)生收縮變形，產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而影響充填效果。

綜上所述，基于尾砂膠結(jié)充填存在的問題，設(shè)計(jì)固體廢棄物膠凝材料協(xié)同尾砂制備膠結(jié)充填材料用于礦山回填中，提高設(shè)計(jì)強(qiáng)度，以多種材料協(xié)同利用來保證充填效果，在節(jié)約充填成本、保護(hù)環(huán)境方面有良好的發(fā)展前景。

2 固體廢棄物礦山回填料膠凝材料研究進(jìn)展

2020年，我國大宗工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量約為37.87 億t，較 2019 年增長 0.71億t，其中，鋼渣占比18.19%，工業(yè)副產(chǎn)石膏占比6.09%。目前，大宗工業(yè)固體廢棄物的主要利用方式依舊是作為建筑材料應(yīng)用于下游建筑市場。經(jīng)過多年的探索和研究，不管是在理論分析，還是工程實(shí)踐，將多種固體廢棄物協(xié)同制備用于礦山充填或混凝土的膠凝材料，是解決大宗固體廢棄物利用率不高問題的有效途徑[4]。

2.1 鋼渣

2.1.1 鋼渣組成與基本性能

鋼渣是煉鋼過程中為了澄清鋼液，人為添加造渣劑后產(chǎn)生的一種固體廢棄物，其礦物組成主要為C3S，C2S，Ca2Fe2O4，RO相。化學(xué)成分主要有 CaO，SiO2，F(xiàn)e2O3，Al2O3和FeO。成分與水泥熟料類似，在磨細(xì)后有一定的水化活性[5]。饒磊[6]對轉(zhuǎn)爐鋼渣的礦物組成進(jìn)行研究，表明它們均含有 C2S，C3S等活性礦物，且在礦物組成上與硅酸鹽水泥熟料十分相近，表明鋼渣具有一定的膠凝性能。磨細(xì)鋼渣粉是常見的礦物摻合料之一，一個(gè)主要的利用方式就是把磨細(xì)鋼渣粉做礦物摻合料用在水泥混凝土中，實(shí)現(xiàn)部分替代水泥，以節(jié)約成本，同時(shí)可以改善水泥基材料的性能。鋼渣通常被用作與其他活性組分復(fù)合制備摻合料，譬如“鋼渣-礦渣、鋼渣-粉煤灰、鋼渣-礦渣-粉煤灰”等。不同活性組分制備而成的復(fù)合摻合料協(xié)同尾砂制備膠結(jié)充填材料，可以實(shí)現(xiàn)鋼渣與尾砂的大宗化資源利用，通過礦山回填的方式減少鋼渣及超細(xì)尾砂的庫存量，減少回填成本并實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益。

2.1.2 鋼渣的應(yīng)用

當(dāng)前我國的鋼渣綜合利用水平仍然相對較低，與發(fā)達(dá)國家相比差距較大，僅為29.5%[7-8]。鋼渣大宗資源化利用主要集中在道路建設(shè)及水泥混凝土行業(yè)，主要用于輔助替代膠凝材料以及替代集料，但由于鋼渣的水化活性不高，且存在安定性問題，導(dǎo)致鋼渣在水泥混凝土行業(yè)中的總體用量受限?？紤]到礦山回填用料量較大，能較大程度的消耗工業(yè)固體廢棄物的儲存量，實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的二次利用，同時(shí)減輕存儲導(dǎo)致的環(huán)保壓力，鋼渣作為膠凝材料協(xié)同尾砂制備膠結(jié)充填材料具有良好的發(fā)展前景。肖柏林[9]利用鋼渣、礦渣及工業(yè)副產(chǎn)石膏為主要原料，通過摻加部分礦渣彌補(bǔ)鋼渣膠凝活性低的問題，并利用脫硫石膏及氟石膏進(jìn)行激發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行最優(yōu)配比的測定，得出鋼渣35%、礦渣45%、氟石膏20%的最優(yōu)配合比，并通過充填體強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測定，該配比所制備充填體強(qiáng)度遠(yuǎn)超水泥且優(yōu)于脫硫石膏激發(fā)材料。通過后續(xù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了大摻量（45%-55%）鋼渣條件下，其充填體強(qiáng)度也能與水泥充填體相當(dāng)。肖柏林的研究開辟了鋼渣等工業(yè)固體廢棄物大規(guī)模利用的新途徑。

通過對鋼渣理化性能及礦物組成的分析可知，鋼渣活性低，早期強(qiáng)度發(fā)展較慢，因此不能單獨(dú)用于超細(xì)尾砂制備膠結(jié)充填材料中。針對鋼渣C2S含量較高的情況，采用活性高的?；郀t礦渣粉末（下文簡稱礦粉）及工業(yè)副產(chǎn)石膏可有效激發(fā)鋼渣的早期活性。

2.2 礦粉

2.2.1 礦粉組成與基本性能

礦粉的化學(xué)成分有CaO，SiO2，Al2O3，MgO為主，其主要成分與水泥的化學(xué)成分基本一致。相比于水泥、礦粉的CaO含量較低、SiO2含量偏高。礦渣在堿性環(huán)境下具有較好的火山灰活性。在CaO含量較高的堿性礦渣中含有C2S等成分，證實(shí)了礦粉本身具有微弱的水硬特性。

針對鋼渣活性低、早期強(qiáng)度發(fā)展較慢的情況，礦粉的加入加快了早期水化反應(yīng)速度，礦粉吸收了部分Ca（OH）2生成了鈣礬石和水化硅酸鈣凝膠，促進(jìn)了鋼渣的水化，提高了鋼渣的早期活性，有效發(fā)揮出鋼渣的后期強(qiáng)度增長的特點(diǎn)，提高了復(fù)合膠凝材料的力學(xué)性能。

2.2.2 礦粉的應(yīng)用

基于礦粉的化學(xué)成分與水泥化學(xué)成分相似，礦粉用于礦山回填主要有以下幾種形式：①以礦渣粉部分替代水泥為主要膠凝材料制作新型膠結(jié)材料。胡亞軍等[10]以礦渣粉、鋼渣、脫硫石膏和復(fù)合堿性材料為原料，以超細(xì)全尾砂為骨料開展了新型膠結(jié)材料的研究，通過實(shí)驗(yàn)得到60%礦渣微粉、8%復(fù)合堿性料、16%脫硫石膏和16%鋼渣粉的最優(yōu)配比，通過工廠生產(chǎn)及實(shí)踐得出其新型膠結(jié)材料對超細(xì)全尾砂有良好的適應(yīng)性，強(qiáng)度值滿足井下回填要求。②礦渣粉用作與其他活性組分復(fù)合制備摻合料。如“礦渣-水泥、礦渣-鋼渣”等復(fù)合制備摻合料。黎偉明[11]提出并研究了以礦渣粉-水泥體系膠結(jié)超細(xì)粒級尾砂做新型膠結(jié)材料，通過對其初凝時(shí)間、強(qiáng)度、流動性等指標(biāo)的觀察，由實(shí)驗(yàn)得知70%水泥、30%礦渣粉、4%硫酸鈉做外加劑制成的膠凝材料具有較快的凝結(jié)速率以及較好的抗壓強(qiáng)度，可替代硅酸鹽水泥進(jìn)行礦山回填。

2.3 工業(yè)副產(chǎn)石膏

2.3.1 工業(yè)副產(chǎn)石膏組成與基本性能

由于不同的生產(chǎn)工藝，工業(yè)副產(chǎn)石膏種類繁多，包括脫硫石膏、磷石膏、氟石膏和鈦石膏等[12]。工業(yè)副產(chǎn)石膏主要成分為CaO，SO3，其共性是所含CaSO？·2H？O含量一般在70%以上，近年來，隨著我國火電、磷肥等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國工業(yè)副產(chǎn)石膏累積堆存量近10億t，其中，煙氣脫硫石膏5000萬t以上，磷石膏2億t以上[13-14]。工業(yè)副產(chǎn)石膏不但占用大量土地，且其含有的酸性及其有害物質(zhì)等易對周邊環(huán)境造成污染。在綠色低碳、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的背景下，工業(yè)副產(chǎn)石膏的資源化利用是一個(gè)亟待解決的問題，以工業(yè)副產(chǎn)石膏用作鹽基激發(fā)劑，與礦粉、鋼渣粉等工業(yè)固體廢棄物制備不同活性組分的復(fù)合摻合料用作膠結(jié)充填材料，對于降低回填膠凝材料成本、消耗工業(yè)副產(chǎn)石膏存儲量、保護(hù)環(huán)境等方面皆有良好前景。

2.3.2 工業(yè)副產(chǎn)石膏的應(yīng)用

工業(yè)副產(chǎn)石膏的資源化利用主要包括三個(gè)方面：一是做為建筑石膏基膠材，生產(chǎn)石膏板和石膏砂漿；二是作為水泥的緩凝劑；三是作為硫酸鹽激發(fā)劑用于活性膠粘劑。已有研究表明，脫硫石膏、磷石膏可作為硫酸鹽激發(fā)劑。何玉鑫等[15]以原狀磷石膏、鋼渣粉、礦粉和石灰石粉為原料制備高強(qiáng)復(fù)合膠凝材料。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磷石膏中的可溶磷、氟等雜質(zhì)在水化早期抑制SiO2和Al2O3的擴(kuò)散與活性，后期礦粉在石灰和磷石膏的共同作用下生成大量鈣礬石和水化硅酸鈣凝膠，水化產(chǎn)物間的緊密結(jié)合，且將磷石膏包裹其中，從而形成較致密的結(jié)構(gòu)，宏觀上表現(xiàn)為復(fù)合膠材的較高強(qiáng)度。

2.4 固體廢棄物膠凝材料協(xié)同尾砂的應(yīng)用實(shí)例

目前，國內(nèi)高校及科研院等普遍認(rèn)為鋼渣礦渣復(fù)合具有協(xié)同促進(jìn)水化作用，并在這方面進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究和相關(guān)的機(jī)理研究。

溫震江[16]開發(fā)了適用于超細(xì)尾砂充填的“無熟料、少礦渣”低成本全固體廢棄物膠凝材料——鋼渣基膠凝材料。采用鋼渣協(xié)同礦渣替代熟料制備鋼渣基膠凝材料，通過影響因素分析，配比優(yōu)化及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)獲得最優(yōu)配比為礦渣粉54%、鋼渣粉30%、脫硫石膏16%的鋼渣基膠凝材料，以中關(guān)鐵礦進(jìn)行了工業(yè)充填實(shí)驗(yàn)，實(shí)踐表明強(qiáng)度滿足礦山充填要求，為鋼渣基膠凝材料大范圍應(yīng)用提供依據(jù)。

湯暢[17]研究開發(fā)了可替代水泥用于礦山充填的精煉渣-礦渣-轉(zhuǎn)爐鋼渣-脫硫石膏四元全固體廢棄物膠凝材料。在以超細(xì)尾砂為骨料且料漿濃度較低的條件下，精煉渣的加入有效彌補(bǔ)礦渣-轉(zhuǎn)爐鋼渣-脫硫石膏三元膠凝材料凝結(jié)時(shí)間過慢和早期強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)，不僅工作性能、力學(xué)性能滿足礦山充填要求，在顯著降低充填成本的同時(shí)，為鋼鐵企業(yè)高效處理精煉渣找到新的途徑。

研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣和礦渣復(fù)合后，經(jīng)鹽堿類等激發(fā)劑激發(fā)，可以得到性能較好的膠凝材料，在膏體充填領(lǐng)域可以完全替代水泥材料。新型膠凝材料的研發(fā)有效解決了傳統(tǒng)水泥行業(yè)帶來的高資源消耗、高耗能、高成本等問題。

3 結(jié)論與展望

針對選礦尾砂在就地取材的便利性和降低成本的經(jīng)濟(jì)性，其最經(jīng)濟(jì)環(huán)保的處理方式是做充填骨料回填礦山。結(jié)合工業(yè)固體廢棄物的利用現(xiàn)狀，以工業(yè)固體廢棄物為膠凝材料，超細(xì)尾砂為骨料做低成本高性能膠結(jié)充填材料具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，對于實(shí)現(xiàn)以廢治廢，推動綠色礦山建設(shè)等方面有著值得關(guān)注的發(fā)展趨勢。

結(jié)合現(xiàn)有的國內(nèi)外研究得出，以礦渣粉部分替換水泥做“礦渣-水泥”基膠凝材料已在中關(guān)鐵礦等礦山進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)適用于超細(xì)尾砂的“無熟料、少礦渣”的低成本固體廢棄物膠凝材料作為更具經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益的新型方向值得深入研究。同時(shí)，基于二元固體廢棄物膠凝材料體系的基礎(chǔ)上，研究三元、四元固體廢棄物膠凝材料體系，開發(fā)多元固體廢棄物膠凝材料體系協(xié)同尾砂制備膠結(jié)充填材料，進(jìn)一步降低礦山回填成本。

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編輯：王國巖

收稿日期：2024-03-08

基金項(xiàng)目：吉林省教育廳科研項(xiàng)目（JJKH20240354CY）

作者簡介：丁 銳（1981～），男，吉林省長春市人，副教授，博士，研究方向：新型建筑材料、固體廢棄物綜合利用。

*通訊作者：陳玉琦（1998～），男，吉林省吉林市人，碩士研究生，研究方向：新型建筑材料、固體廢棄物綜合利用，E-mail：1223740869@qq.com